Екстремне вредности и превојне тачке функција 1

Монотоност и екстремне вредности функција. Конвексност, конкавност и превојне тачке функција. Једноставни примери.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији:

Пр.1)   Одредити монотоност, екстремне вредности, конвексност и

            превојне тачке функције:

            y=2x3−6x2−18x+7y = 2{x^3} - 6{x^2} - 18x + 7

Пр.2)    y=x−3x−5y = \frac{{x - 3}}{{x - 5}}


Пр.1)    y=2x3−6x2−18x+7y = 2{x^3} - 6{x^2} - 18x + 7

Df:R{D_f}:\mathbb{R}
y′=6x2−12x−18y' = 6{x^2} - 12x - 18
6x2−12x−18=0∣:66{x^2} - 12x - 18 = 0|:6
x2−2x−3=0{x^2} - 2x - 3 = 0
x1/2=2±4+122{x_{1/2}} = \frac{{2 \pm \sqrt {4 + 12} }}{2}
x1/2=2±42{x_{1/2}} = \frac{{2 \pm 4}}{2}
x1=3;x2=−1{x_1} = 3;{x_2} = - 1

451 png


f′(x)>0; за x∈(−∞;−1)∪(3;+∞) функција је растућа f↗f'\left( x \right) > 0;\text{ за }x \in \left( { - \infty ; - 1} \right) \cup \left( {3; + \infty } \right)\text{ функција је растућа }f \nearrow
f′(x)<0; за x∈(−1;3) функција је опадајућа f↘f'\left( x \right) < 0;\text{ за }x \in \left( { - 1;3} \right)\text{ функција је опадајућа }f \searrow
452 png


Tmax⁡(−1;17){T_{\max }}\left( { - 1;17} \right)
Tmin⁡(3;−47){T_{\min }}\left( {3; - 47} \right)

ymax⁡=2(−1)3−6(−1)2−18(−1)+7=17{y_{\max }} = 2{\left( { - 1} \right)^3} - 6{\left( { - 1} \right)^2} - 18\left( { - 1} \right) + 7 = 17

ymin⁡=2⋅33−6⋅32−18⋅3+7=−47{y_{\min }} = 2 \cdot {3^3} - 6 \cdot {3^2} - 18 \cdot 3 + 7 = - 47

y′′=12x−12y'' = 12x - 12

12x−12=012x - 12 = 0

12x=1212x = 12

x=1x = 1

453 png

Пр.2)    y=x−3x−5y = \frac{{x - 3}}{{x - 5}}

Df:x−5≠0Df:x - 5 \ne 0

x≠5x \ne 5

Df:R\{5}Df:\mathbb{R}\backslash \left\{ 5 \right\}

y′=(x−3)′(x−5)−(x−5)′(x−3)(x−5)2=x−5−(x−3)(x−5)2=x−5−x+3(x−5)2=−2(x−5)2y' = \frac{{{{\left( {x - 3} \right)}^\prime }\left( {x - 5} \right) - {{\left( {x - 5} \right)}^\prime }\left( {x - 3} \right)}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}} = \frac{{x - 5 - \left( {x - 3} \right)}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}} = \frac{{x - 5 - x + 3}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}} = \frac{{ - 2}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}}

454 png

f′(x)=0f'\left( x \right) = 0

−2(x−5)2=0\frac{{ - 2}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}} = 0

−2=0⊥⇒- 2 = 0 \bot \Rightarrow  нема екстремних вредности

y′=−2(x−5)2y' = \frac{{ - 2}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^2}}}

y′′=(−2)′(x−5)2−((x−5)2)′(−2)(x−5)4=4(x−5)(x−5)4=4(x−5)3y'' = \frac{{{{\left( { - 2} \right)}^\prime }{{\left( {x - 5} \right)}^2} - {{\left( {{{\left( {x - 5} \right)}^2}} \right)}^\prime }\left( { - 2} \right)}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^4}}} = \frac{{4\left( {x - 5} \right)}}{{{{\left( {x - 5} \right)}^4}}} = \frac{4}{{{{\left( {x - 5} \right)}^3}}}        

455 png

Знак првог извода одређује монотоност: где је f′(x)>0f'(x) > 0, функција расте, а где је f′(x)<0f'(x) < 0, опада. Стационарне тачке, решења једначине f′(x)=0f'(x) = 0, деле домен на интервале, а знак на сваком провери се једном пробном тачком. Ако f′f' у стационарној тачки мења знак са ++ на −-, ту је максимум, а ако мења са −- на ++, минимум. Други извод даје закривљеност: за f′′(x)>0f''(x) > 0 график је конвексан, за f′′(x)<0f''(x) < 0 конкаван, а где f′′f'' мења знак, налази се превојна тачка. Тако y=2x3−6x2−18x+7y = 2x^3 - 6x^2 - 18x + 7 има максимум (−1,17)(-1, 17), минимум (3,−47)(3, -47) и превојну тачку (1,−15)(1, -15).

Тачке ван домена, као x=5x = 5 за x−3x−5\frac{x - 3}{x - 5}, нису ни екстремуми ни превојне тачке.

24681012142,533,544,555,5t (дани)h (m)максимумпревојна тачка
3
Водостај h(t)
3,43 m
Брзина h′(t)
0,252 m/дан
h″(t)
0,048
Тангента је водоравна у врху таласа, десетог дана. Најстрмија је петог дана: ту h′′h'' мења знак, график од конвексног постаје конкаван, а вода расте најбрже.

Хидролози на основу модела водостаја процењују када ће речни талас достићи врх и када вода најбрже расте, а исти поступак користе економисти кад траже највећу добит или најмањи трошак.

Водостај после киша

После обилних киша водостај реке код једног моста у упрошћеном моделу износи h(t)=−0,004t3+0,06t2+3h(t) = -0{,}004t^3 + 0{,}06t^2 + 3 метара, где је tt број дана, 0≤t≤150 \le t \le 15. Када вода достиже највиши ниво и колики је он? Када вода најбрже расте?

Решење

  1. h′(t)=−0,012t2+0,12t=−0,012t(t−10)h'(t) = -0{,}012t^2 + 0{,}12t = -0{,}012t(t - 10), па су стационарне тачке t=0t = 0 и t=10t = 10.
  2. На (0,10)(0, 10) је h′>0h' > 0 и вода расте, а на (10,15)(10, 15) је h′<0h' < 0 и вода опада, па је максимум h(10)=−4+6+3=5h(10) = -4 + 6 + 3 = 5 m.
  3. h′′(t)=−0,024t+0,12=0h''(t) = -0{,}024t + 0{,}12 = 0 за t=5t = 5. Пре тога је h′′>0h'' > 0, а после h′′<0h'' < 0, па је (5,4)(5, 4) превојна тачка.
  4. У превојној тачки раст је најбржи: h′(5)=−0,3+0,6=0,3h'(5) = -0{,}3 + 0{,}6 = 0{,}3 m дневно.

Одговор: Вода је највиша десетог дана, 5 m, а најбрже расте петог дана, 0,3 m дневно, кад је водостај 4 m.

Задатак за вежбу

Одредите монотоност, екстремне вредности и превојну тачку функције y=x3−6x2+9x+1y = x^3 - 6x^2 + 9x + 1.

Прикажи решење

y′=3(x−1)(x−3)y' = 3(x - 1)(x - 3): функција расте на (−∞,1)(-\infty, 1) и (3,+∞)(3, +\infty), а опада на (1,3)(1, 3); максимум је (1,5)(1, 5), минимум (3,1)(3, 1). Из y′′=6x−12y'' = 6x - 12 следи превојна тачка (2,3)(2, 3).